内质网应激与心血管疾病关系的研究进展

安 琪，徐富刚，王 焱，余 游

(牡丹江医学院，黑龙江 牡丹江 157011)

凋亡属于细胞的程序性死亡，机体通过凋亡维持细胞群体数量稳态和正常代谢过程。内质网应激是凋亡的重要信号转导通路，研究表明内质网应激参与高血压、心肌梗死、心力衰竭等心血管疾病的发生发展，本文将就内质网应激与心血管疾病的关系做如下综述。

内质网是真核生物中储存Ca2+和加工蛋白质的细胞器，蛋白质在此合成、折叠与修饰。当受到应激原作用时，内质网腔内错误折叠和未折叠蛋白质堆积、Ca2+平衡紊乱从而激活未折叠蛋白反应和细胞凋亡信号通路，导致内质网应激(Endoplasmic reticulum stress，ERS)的发生。ERS对于增强细胞抵抗损伤的能力具有重要意义，对细胞存亡也有重要影响[1]。

1 内质网应激的病理生理改变

1.1 未折叠蛋白反应(unfolded protein response，UPR)UPR是指各种原因引起未折叠/错误折叠蛋白质在内质网中聚集，导致内质网应激蛋白转录增加、其它蛋白翻译减少、蛋白质降解增多的反应。UPR通过减少蛋白质合成、内质网分子伴侣和折叠酶的转录激活、启动内质网相关降解 (ERAD)系统等保护由内质网应激引起的细胞损伤，恢复细胞功能。UPR受3个内质网跨膜蛋白调节：蛋白激酶样内质网激酶(PERK)、激活转录因子6(ATF6)和肌醇需求酶1(IRE1)[2]。

1.1.1 蛋白激酶样内质网激酶(PERK) PERK是内质网Ⅰ型跨膜蛋白，属于丝/苏蛋白激酶。正常情况下，PERK的内质网腔内结构域与内质网分子伴侣葡萄糖调节蛋白78(GRP78)结合；发生应激时，由于错误折叠和未折叠蛋白质增多，GRP78与之结合，解离后的PERK通过二聚化和自身磷酸化而激活，使真核翻译起始因子eIF2α发生磷酸化。磷酸化的 eIF2α抑制mRNA翻译，减缓或暂停蛋白质的合成，从而降低内质网对新蛋白质折叠需求的压力。eIF2α的活化还可以增加激活转录因子4(ATF4)的合成，后者上调内质网分子伴侣GRP78、GRP94、钙网蛋白(CRT)的表达，对于维持内质网稳态起重要作用[3]。

1.1.2 激活转录因子6(ATF6) ATF6是内质网Ⅱ型跨膜蛋白，负责调节内质网分子伴侣和ERAD系统。ATF6有两种亚型：ATF6α和ATF6β，二者具有不同的转录活化结构域。当错误折叠蛋白聚集时，免疫球蛋白结合蛋白 (Bip)由ATF6α解离，暴露高尔基体定位序列GLS1和GLS2,ATF6α异位至高尔基体内并被蛋白酶S1P、S2P裂解。S1P和S2P分别去除ATF6α的内质网腔内结构域和跨膜结构域，使之变为一个具有50 kDa氨基末端的细胞质片段(ATF6f)。在膜内蛋白水解(RIP)作用下，ATF6f转录因子进入细胞核，与内质网应激反应元件结合，诱导内质网分子伴侣和UPR调节蛋白Bip、x-盒结合蛋白1 (XBP1) 的表达。ATF6与XBP1共同增加靶点的转录，扩大内质网腔，增加蛋白折叠能力，维持蛋白质稳态[4]。

1.1.3 肌醇需求酶1(IRE1) IRE1也是内质网Ⅰ型跨膜蛋白，负责调节蛋白激酶和内切核糖核酸酶的活性，同时控制自身表达。IRE1存在两种亚型，IRE1α和IRE1β，其中IRE1α存在于几乎所有组织中。IRE1α胞质尾区有两个酶结构域：丝氨酸/苏氨酸激酶结构域和内切核糖核酸酶结构域。当错误折叠蛋白/未折叠蛋白在内质网聚集时,IRE1α激酶被激活，发生自磷酸化。IRE1α磷酸化引起的变构激活邻近的核糖核酸酶，IRE1α核糖核酸酶剪除mRNA的26-nt内含子，编码XBP1转录因子产生稳态转录因子XBP1s。XBP1s转移到细胞核，诱导基因转录，扩大内质网腔、改善内质网功能，恢复内质网稳态[5]。

总之，上述调节因子通过内稳态循环反馈来缓解内质网应激，若成功减少错误折叠蛋白/未折叠蛋白数量，UPR信号减弱，细胞存活。

1.2 细胞凋亡若损伤严重，UPR不能减少内质网应激，内环境稳态不能及时恢复，信号则由促生存向促凋亡转换，引起细胞凋亡。凋亡受C/EBP同源蛋白(CHOP)、调亡蛋白酶12(caspase-12)和IRE1的调节。

1.2.1 C/EBP同源蛋白(CHOP) CHOP是CCAAT增强子结合蛋白(C/EBP)家族中的一员，正常情况下表达水平很低，但发生应激时表达量明显增加。CHOP能够抑制B细胞淋巴瘤2(Bcl-2)蛋白家族中的抗凋亡成员Bcl-2样蛋白、上调促凋亡成员BH3的表达；调节促凋亡蛋白BAX-BAK同源二聚化，使线粒体外膜渗透性增加，导致细胞色素C的释放，引发凋亡级联反应。CHOP可直接调控TNF家族成员细胞表面死亡受体5 (DR5)的转录，触发凋亡蛋白酶8(caspase-8)诱导的凋亡。PERK诱导的CHOP表达直接上调生长停滞及DNA损伤诱导34(GADD34)的转录,形成辅因子蛋白磷酸酶1复合物，促进磷酸化的eIF2α脱磷酸以及蛋白质翻译。若不能恢复内质网稳态，GADD34的上调则进一步促进错误折叠蛋白聚集和活性氧(ROS)的生成，最终引发凋亡[6]。

1.2.2 凋亡蛋白酶 凋亡蛋白酶(caspase)又称半胱天冬酶，是对底物天冬氨酸部位有特异水解作用、其活性中心富含半胱氨酸的蛋白酶。正常情况下，caspase以无活性的酶原或前体(pro-caspase)的形式存在，活化后可水解底物，通过级联反应诱发凋亡。pro-caspase12位于内质网膜，可以单独存在或与肿瘤坏死因子受体关联因子2(TRAF2)形成复合物。当受到持续刺激时，通过2条途径诱发细胞凋亡。第一，单独存在的pro-caspase12转移至细胞质，被激活成具有活性的caspase-12，进一步激活下游的caspase-9、-3促使细胞凋亡。第二，TRAF2-procaspase12复合物解离，TRAF2与IRE1、c-Jun N端激酶(JNK)形成IRE1-JNK-TRAF2复合物，后者能够激活凋亡信号调节酶1(ASK1)，ASK1使JNK发生磷酸化，引发细胞凋亡[7]。

1.2.3 IRE1 IRE1既能够启动UPR促进细胞存活，也能以IRE1-JNK-TRAF2复合物的形式引起细胞凋亡。磷酸化的JNK通过多种途径诱导凋亡信号。JNK异位至线粒体膜，通过磷酸化和抑制Bcl-2蛋白促进细胞凋亡。JNK还促使Bcl-2相关X蛋白(BaX)和Bcl-2相关死亡启动子(BaD)促凋亡蛋白定位于线粒体，破坏线粒体膜，释放细胞色素C，激活caspase-9和-3，引起细胞凋亡。活化的JNK与线粒体外膜上的SH3同源BTK结合蛋白(Sab)结合，使线粒体产生ROS，诱导细胞凋亡。IRE1α/TRAF2结合物通过caspase-12 促凋亡信号通路激活凋亡。受体相互作用丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶1 (RIPK1)通过线粒体膜上的TNF受体1刺激IRE1α介导的JNK激活，RIPK1和IRE1α结合激活caspase-8,然后继续激活caspase-9、-3介导细胞损伤。IRE1α/TRAF2/ASK1激活核转录因子κB(NF-κB)信号途径。此外，UPR过程中产生的XBP1s还能增强CHOP介导的细胞凋亡[8]。

2 内质网应激与心血管疾病

2.1 内质网应激与动脉粥样硬化动脉粥样硬化斑块中的炎症、氧化脂质和代谢紊乱等病理因素触发内质网应激，后者通过多个通路影响粥样硬化的发生发展，贯穿病程各个阶段。平滑肌细胞合成大部分间质胶原，对于斑块纤维帽的稳定起重要作用，心肌组织或周围血管病变时炎症细胞(巨噬细胞和中性粒细胞等)在损伤区域聚集，释放促炎因子白细胞介素-1、白细胞介素-6(IL-1、IL-6)与ROS，斑块受到炎症因子的水解变得易损，启动内质网应激[9]。PDI是一种内质网分子伴侣，可促进二硫键形成，参与蛋白质折叠。动脉粥样硬化发生时，巨噬细胞吞噬氧化低密度脂蛋白(ox-LDL)使PDI功能失活，诱发ERS。几个重要的脂肪生成途径位于内质网中，已证实XBP1参与磷脂酰胆碱的合成。ERS可激活固醇调节元件结合蛋白(SREBP),诱导胆固醇/脂肪酸合成和摄取相关基因的表达,引起细胞内胆固醇和脂肪酸堆积,促使脂代谢异常进一步恶化,进而激活细胞凋亡信号途径,导致细胞死亡和不稳定斑块形成[10]。姚树桐等研究表明,在巨噬细胞泡沫化过程中,轻度氧化低密度脂蛋白呈剂量依赖性诱导巨噬细胞内ERS,促使ATF6由胞浆向细胞核内转移,上调磷酸化IRE1及下游信号分子XBP1和GRP78蛋白的表达[11]。

2.2 内质网应激与高血压高血压时血管紧张素Ⅱ、内皮素1的升高及血流剪切力的改变激活NADPH氧化酶诱发氧化应激，产生过量ROS。ROS攻击维持蛋白折叠酶活性所必需的游离巯基，氧化修饰内质网腔内蛋白质，进而诱导内质网折叠酶或分子伴侣的功能异常，引起未折叠蛋白的积累，激活UPR及其下游凋亡通路[12]。Kassan M等研究显示心肌肥厚和纤维化与内质网应激有关，凋亡导致心肌细胞的损失是血流动力学超负荷时心肌重构的重要机制之一。抑制ERS后参与纤维化形成的I型胶原蛋白、转化生长因子β1(TGF-β1)表达降低，心肌细胞缩小[13]。高血压时血管内皮功能障碍，内皮依赖性收缩和肌原性收缩增强、内皮依赖性舒张减弱。内质网抑制剂牛磺酸脱氧胆酸(TUDCA)能够抑制ERS标记物Bip、ATF6、CHOP、IRE1、XBP1、PERK和eIF2α的表达或磷酸化，使用TUDCA治疗后的高血压大鼠收缩压下降，压力诱发的肌原性张力增加、内皮依赖性舒张减弱恢复正常。内质网应激可能损害胰岛素信号转导，使一氧化氮介导的舒张功能受损，激活对血管起收缩作用的内皮素1，使血管由舒张向收缩状态转变[14]。

2.3 内质网应激与心力衰竭各种病因引起的压力负荷会造成ERS，是心力衰竭发生的重要分子机制。主动脉弓缩窄术建立的小鼠心衰模型表明，术后4周心肌细胞凋亡数显著增加，CHOP表达升高。血管紧张素Ⅱ(AngⅡ)是一种血管活性肽，可激活CHOP凋亡途径。精氨酸加压素(AVP)通过增加GRP78表达、升高eIF2α磷酸化水平、减少内质网内Ca2+储备促进心脏重构[15]。内质网应激可以诱导丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)信号，其中p44/42 MAPK促进GRP78的生成，p38 MAPK激活CHOP、NF-κB及环氧核酶2(COX-2)，二者在转录水平相互作用，使交感神经活跃，激活肾素-血管紧张素系统[16]。心衰晚期持续的ERS导致IRE1表达增加，其内切核酸酶活性下降，失去对XBP1的剪切作用，并靶向作用附着在ER膜结合核糖体上的mRNA。心肌细胞内跨膜丝氨酸蛋白酶corin的mRNA易受这一过程影响，corin mRNA的降解导致蛋白合成减少，使利钠肽前体转化过程受损，最终导致心肌肥大向收缩性心力衰竭进展[17]。临床研究显示，心衰患者血清PERK和CHOP较对照组升高，在494.5-pg/mL水平，PERK预测心衰的敏感性为70%、特异性为50%；CHOP可用于预测低射血分数心衰患者的住院时间[18]。

2.4 内质网应激与心律失常心律失常是由于冲动形成或冲动传导异常所引起的心脏频率和节律的异常。PERK的激活抑制人类心脏钠离子通道(Nav1.5)和钾离子通道(Kv4.3)。心力衰竭发生时,编码Nav1.5的α亚基基因(SCN5A)拼接异常,导致mRNA变构体缩断。缩短的mRNA变构体翻译为非功能通道蛋白，下调Na+通道蛋白表达，减少Na+内流，导致心律失常。Kv4.3通道参与心脏瞬时外向钾电流(Ito)，形成动作电位复极化1相。PERK激活可以降低Ito，导致动作电位持续时间缩短。JNK的激活导致缝隙连接通道减少，动作电位传导速度降低，缝隙连接重构延长心房传导时间，促进折返回路形成，引起房性心律失常。MAPK家族的主要成员细胞外信号调节激酶(ERKs)可引起Ca2+内流增加和心肌肌浆网Ca2+-ATP酶(SERCA2)表达下调，导致心律失常[19]。刘灏等建立小鼠病毒性心肌炎模型，与正常组相比，心肌炎组发生室性早搏、短阵性室速，GRP78与ATF4表达显著升高[20]。应用异丙肾上腺素诱导大鼠心肌损伤，GRP78、CHOP、XBP1基因表达上调，ATP钾通道和心肌钠通道基因下调，心电图QTc明显延长，提示内质网应激参与离子通道表达和功能改变，是引起心电重构的上游原因[21]。

3 结语

内质网应激是机体对环境刺激的保护性防御机制，内质网通过UPR减少细胞损伤、促进细胞存活，但过度或持久的刺激则引起细胞功能失调，触发细胞凋亡，进而导致疾病的发生。内质网应激由于其保护与损伤的双重作用，具有重要的病理生理意义。针对内质网应激在心血管疾病中的作用及干预措施进行研究,或许可以为寻找心血管疾病新的防治靶点提供理论依据。